バックアップ電池を利用可能なLED駆動回路：Design Ideas

[Zhihong Yu （米Juno Lighting Group社），EDN]

　LEDは、効率が高く、制御方法が単純であることから、非常灯として広く利用されている。図1に示す回路は、3W〜6Wの非常灯用LEDを駆動するための回路であり、効率が高く、信頼性も高い。この回路でポイントとなっているのは、電池を用いたバックアップ機能を備えていることだ。

　この回路のメインの入力電圧には、12V_ACを使用している。これを全波ブリッジ回路で整流し、1〜2個のコンデンサで平滑化することでDC化する。このDC電圧をIC₃のLEDドライバ（米Linear Technology社の「LT3517」）に供給することで、LEDを駆動する。

図1　LEDの駆動用回路　

　また、この回路は、LEDドライバへの給電経路をもう1つ備えている。IC₂は電池の充電用レギュレータ（スイスSTMicroelectronics社の「PB137」）であり、BATT＋とBATT−には12Vの鉛蓄電池を接続する。IC₁は電源切り替え用のコントローラ（Linear Technology社の「LTC4412」）であり、これが鉛蓄電池の電圧と、12V_ACを基に生成されたDC電圧とを比較する。DC電圧が電池電圧より低くなると、IC₁によって電源の切り替えが行われ、電池電圧がLEDドライバIC₃に供給される。この電源切り替えの際には、わずかなスイッチング損失が生じる。ただ、IC₂が電池の充電量が空にならないよう働くので、この損失は許容できるケースが多いだろう。

　12V_ACの供給には、通常のAC電源のほかに、電子トランスを利用する方法が考えられる。その場合、12Vのトランス出力の周波数が高いので、コンデンサC₁、同C₁₀として容量が10μFのものを使用する。それにより、電圧を高く保持できるとともに、力率も高くなる。

　IC₁は、Q₁とQ₂のpチャンネルFETが、12V_ACから得たDC電圧と電池電圧とを切り替えるための理想ダイオードとして働く。このとき、pチャンネルFETによって生じる電圧降下はわずか20mV程度であり、通常のダイオードの電圧降下である0.7Vに比べるとはるかに小さい。また、AC電源がオフになると、IC₁のGATE端子（5番端子）がローになる。そこで、同端子に別のpチャンネルFETを接続し、そこにAC電源がオフになったことを知らせる警報用LEDを設けるといった使い方も可能である。

　IC₂は1.5Aの内部電流を許容し、入力電流は、抵抗R₁によって制限される。電流があるレベル以上になると、トランジスタQ₅がオンすることで同Q₄がオフになり、IC₂の充電機能もオフになる。

　LEDドライバのIC₃は、AC電圧を整流したDC電圧または電池電圧を入力とし、インバータ式昇降圧型DC-DCコンバータとして動作する。抵抗R₁₀は、LEDに流れる電流値の設定に用いる。

　IC₃のCTRL端子（8番端子）は、アナログ調光端子である。これに抵抗R₆とフォトレジスタRT₁で構成する分圧回路を接続しておくことで、周囲が明るい場合に減光することができる。このようにすることで、消費電力の節減が可能になる。また、AC電源がオフのときにLEDを減光する必要があるなら、IC₁のGATE端子にトランジスタまたはオプトアイソレータを接続し、それが、AC電源がオフのときにオンになるようにして、IC₃のCTRL端子のアナログ信号レベルをロー側に下げるようにしておく。その結果、LEDを減光することが可能になる。

写真1　回路が動作している様子　LEDは、非常灯用として十分な明るさで発光している。

　IC₃のスイッチング周波数は、抵抗R7により1MHzに設定されている。この回路の効率は、AC電源で直接駆動した場合には82％、電子トランスを用いた場合には70％になる。

　図1の回路のうち、いくつかの部品を変更すれば、駆動可能なLEDの数を増やすことができる。例えば、IC₃としてLT3517の代わりに、端子互換性を持つ「LT3518」（Linear Technology社製）を使用すれば、電流量を増やすことが可能である。出力電圧を高くする場合には、フィードバック用抵抗として働く抵抗R₈と同R₉の値を調整する。また、コンパレータの出力電圧をより安定させたい場合には、平滑化用のコンデンサC₅としてより容量値の大きいものを使用する。試作の結果、最大6個のLEDを駆動することができた（写真1）。